KR20120034508A - Segment-in-series type sofc sub-module, preparation method thereof and segment-in-series type sofc module using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성이 없는 다공성 구조를 가지면서 높은 기체 투과도 및 우수한 압축강도를 나타내는 관형 지지체를 사용하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈에 관한 것이다.
The present invention relates to a segmented solid oxide fuel cell submodule, a method for manufacturing the same, and a segmented solid oxide fuel cell module using the same. More specifically, the present invention relates to a segmented solid oxide fuel cell submodule, and more particularly, exhibits high gas permeability and excellent compressive strength. Segmented solid oxide fuel cell submodule using a tubular support, a method of manufacturing the same and a segmented solid oxide fuel cell module using the same.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 600?1000℃의 고온에서 연료(H2, CO)와 공기(산소)의 전기화학반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지로서, 현존하는 발전 기술 중 발전 효율이 가장 높고 경제성이 우수한 장점이 있다.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) produces electricity by electrochemical reaction between fuel (H 2 , CO) and air (oxygen) at high temperature of 600 ~ 1000 ℃ using solid ceramic as electrolyte. As a fuel cell, there is an advantage in generating power generation efficiency and excellent economic efficiency among the existing power generation technology.
SOFC는 전해질과 전극이 고체 상태이기 때문에 평판형이나 원통형 등 여러 가지 형태의 셀(cell)로 제조가 가능하고, 연료전지의 지지체(support)에 따라서 연료극 지지체식과 공기극 지지체식 및 전해질 지지체식으로 분류된다.Since SOFC and electrolyte are in solid state, it can be manufactured in various types of cells such as flat plate and cylinder, and classified into anode support type, cathode support type, and electrolyte support type according to fuel cell support. do.
평판형 SOFC는 전력밀도와 생산성이 높고 전해질 박막화가 가능한 반면, 별도의 밀봉재를 이용한 기체 밀봉이 요구되는 단점이 있고, 고온에서 금속연결재를 사용하기 때문에 크롬 휘발로 인해 전극 효율이 저하되는 문제가 있으며, 열 사이클에 대한 저항성이 낮아 신뢰성이 부족하다는 단점이 있다. 더욱이, 평판평 SOFC는 대면적 셀의 제조가 어려울 뿐만 아니라 대용량 스택(stack)의 제작도 쉽지 않기 때문에, 이러한 문제를 해결하는 것이 실용화의 관건이 된다.Flat SOFCs have high power density, high productivity, and thin electrolyte, but require gas sealing using a separate sealant, and due to the use of metal connecting materials at high temperatures, electrode efficiency is reduced due to chromium volatilization. However, it has a disadvantage of lacking reliability due to low resistance to thermal cycles. Moreover, since flat panel SOFCs are not only difficult to manufacture large-area cells but also easy to manufacture large-capacity stacks, solving these problems becomes a key to practical use.
원통형 SOFC의 경우는 기체 밀봉이 불필요하고 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 여러 가지 시험 항목에서 신뢰성이 검증되었기 때문에, 상용화에 가장 근접한 SOFC 디자인으로 평가받고 있다. 그러나, 원통형 SOFC는 전류의 이동 경로가 길기 때문에 내부저항이 높고 출력밀도가 낮은 단점이 있다. 또한, 셀의 집합체인 모듈에서 출력되는 전압이 낮기 때문에 운전 중 전력변환 손실이 크며, 그 결과 효율이 떨어진다는 취약점이 있다.Cylindrical SOFCs are evaluated as SOFC designs closest to commercialization because they do not require gas sealing, have excellent mechanical strength, and have been tested for reliability in various test items. However, the cylindrical SOFC has a disadvantage of high internal resistance and low power density because of a long current path. In addition, since the voltage output from the module, which is a collection of cells, is low, the power conversion loss during operation is large, and as a result, there is a weakness in efficiency.
현재, 20kW급 이상의 발전용 SOFC 시스템은 대부분 원통형 또는 개량 원통형 셀을 사용한 스택을 채택하고 있으며, 20kW급 이하의 경우에는 평판형 셀도 채택하고 있다.Currently, SOFC systems for power generation above 20 kW are mostly adopting stacks using cylindrical or improved cylindrical cells, and in the case of 20 kW or lower, flat cells are also adopted.
한편, 기존의 발전용 SOFC 셀 형태의 단점을 보완하는 개량 셀 형태 중 세그먼트형 고체산화물 연료전지(Segment-in-series type SOFC)는 가장 장점이 많고 경제성이 우수한 형태의 것으로서, 기존의 단전지 관형 셀을 마디형으로 여러 개의 셀로 분리 제작한 구조로 이루어져 있다. 이 세그먼트형 SOFC 셀은 단위 전지들이 직렬 형태로 연결된 모듈이기 때문에 고전압 저전류 출력으로 고효율의 발전이 가능하고, 스택의 부피를 감소시킬 수 있어 시스템을 간략화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이외에도 세그먼트형 SOFC 셀은 스택 제조 비용이 절감되고, 대량 생산이 가능한 저가의 습식 코팅 공정을 적용할 수 있으며, 원통형 셀의 모서리 부분만 가스 밀봉을 하면 되므로 가스 밀봉 문제를 극소화할 수 있고, 원통형 셀 지지체 길이의 증대를 통한 대면적화가 용이하다는 장점 등이 있다.
On the other hand, the segment-in-series type SOFC is one of the most advantageous and economical types of the improved cell type to compensate for the shortcomings of the conventional SOFC cell type for power generation. The cell is composed of nodes made of several cells. Since the segmented SOFC cell is a module in which unit cells are connected in series, high-voltage, low-current output enables high-efficiency generation, and can reduce the stack volume, thereby simplifying the system. In addition, segmented SOFC cells can reduce stack manufacturing costs, apply low-cost wet coating processes that can be mass-produced, and minimize gas sealing problems by only gas sealing the edges of cylindrical cells. There is an advantage that the large area is easy through the increase in the length of the cylindrical cell support.
본 발명의 목적은 높은 기체 투과도와 우수한 압축강도를 나타내는 다공성 관형 지지체를 사용하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a segmented solid oxide fuel cell submodule using a porous tubular support having high gas permeability and excellent compressive strength, a method of manufacturing the same, and a segmented solid oxide fuel cell module using the same.
본 발명의 다른 목적은 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a segmented solid oxide fuel cell submodule capable of high output, increased start-up speed and heat cycle resistance, a manufacturing method thereof, and a segmented solid oxide fuel cell module using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다공성 관형 지지체, 상기 다공성 관형 지지체 상부에 형성된 연료극, 전해질층, 공기극 및 연결재를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈로서, 상기 다공성 관형 지지체는 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄 분말의 혼합물, 바인더 및 증류수를 혼련하여 제조된 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결 과정을 거쳐 제조된 것임을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a segmented solid oxide fuel cell submodule comprising a porous tubular support, a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode, and a connecting material formed on the porous tubular support, the porous tubular support is uniform and powdered A segment-type solid oxide fuel cell submodule is prepared by extruding, drying, heat treating, and sintering a paste prepared by kneading a mixture of calcified stabilized zirconia (CSZ) and activated carbon powder, a binder, and distilled water. to provide.
또한 본 발명은 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄 분말의 혼합물, 바인더 및 증류수를 포함하는 페이스트를 사용하여 다공성 관형 지지체를 제조하는 단계(S1); 상기 다공성 관형 지지체 상에 연료극을 형성하는 단계(S2); 상기 연료극 상에 전해질층을 형성하는 단계(S3); 및 상기 전해질층 상에 공기극을 형성하는 단계(S4) 및 전기적 연결을 위해 연결재를 형성하는 단계(S5)를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a porous tubular support using a paste comprising a mixture of homogenized and powdered calcia stabilized zirconia (CSZ) and activated carbon powder, a binder and distilled water (S1); Forming a fuel electrode on the porous tubular support (S2); Forming an electrolyte layer on the anode (S3); And forming a cathode on the electrolyte layer (S4) and forming a connection material for electrical connection (S5).
또한 본 발명의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 복수개 포함하여 구성된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
The present invention also provides a segmented solid oxide fuel cell module including a plurality of segmented solid oxide fuel cell submodules of the present invention.
본 발명은 높은 기체 투과도와 우수한 압축강도를 나타내는 다공성 관형 지지체를 사용함으로써, 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
The present invention uses a porous tubular support that exhibits high gas permeability and excellent compressive strength, thereby enabling high output, increased start-up speed and heat cycle resistance, and a segmented solid oxide fuel cell submodule, a method of manufacturing the same, and a segmented solid using the same. Provided is an oxide fuel cell module.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 다공성 관형 지지체를 압출하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 다공성 관형 지지체 상에 연료극 및 전해질층을 형성한 후 (a) 연료극 코팅 표면, (b) 전해질층 코팅 표면, (c) 연료극 코팅 단면 및 (d) 연료극과 전해질층 코팅 단면에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 다공성 관형 지지체 상에 형성된 LSM-YSZ/LSM/LSCF의 다층으로 구성된 공기극의 표면과 단면에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 시험예 1에서 제조된 와이어링된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 시험예 1에서 세그먼트형 고체산화물 연료전지 단위전지 및 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 개회로 전압 및 전지성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a segmented solid oxide fuel cell submodule manufactured according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph showing a process of extruding a porous tubular support in Example 1 of the present invention.
Figure 3 is after forming the anode and the electrolyte layer on the porous tubular support in Example 1 of the present invention (a) anode coating surface, (b) electrolyte layer coating surface, (c) anode coating cross section and (d) anode Scanning electron micrographs taken of the electrolyte layer coating cross section.
4 is a scanning electron micrograph taken on the surface and the cross-section of the air electrode composed of a multilayer of LSM-YSZ / LSM / LSCF formed on the porous tubular support in Example 1 of the present invention.
5 is a photograph of a wired segmented solid oxide fuel cell submodule manufactured in Test Example 1 of the present invention.
6 is a graph showing the results of measuring the open circuit voltage and the cell performance of the segment type solid oxide fuel cell unit cell and the segment type solid oxide fuel cell submodule in Test Example 1 of the present invention.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a segmented solid oxide fuel cell submodule of the present invention, a manufacturing method thereof, and a segmented solid oxide fuel cell module using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈에 대한 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a segmented solid oxide fuel cell submodule manufactured according to one embodiment of the present invention.
본 발명은 다공성 관형 지지체(11), 상기 다공성 관형 지지체 상부에 형성된 연료극(12), 전해질층(13), 공기극(14) 및 연결재(15)를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)로서,The present invention includes a segmented solid oxide
상기 다공성 관형 지지체(11)로는 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄 분말의 혼합물, 바인더 및 증류수를 혼련하여 제조된 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결 과정을 거쳐 제조된 것을 사용한다. As the porous
세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)에서 다공성 관형 지지체(11)는 셀의 프레임을 형성하면서 연료/반응물의 유로로서의 역할을 하며, 2개 이상의 단위전지를 연결하므로 전기전도성이 없는 물질로 구성된다.In the segmented solid oxide
본 발명에서 사용되는 다공성 관형 지지체(11)는 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄 분말의 혼합물을 포함한 페이스트를 사용하여 제조됨으로써 높은 기공률과 우수한 압축강도를 나타낸다.The porous
도 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)은 상기 다공성 관형 지지체(11) 상에 연료극(12), 전해질층(13), 공기극(14) 및 연결재(15)가 순차적으로 형성되어 제조된다.As shown in FIG. 1, the segmented solid oxide
상기 연료극(12)은 산화니켈(NiO) 분말, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말, 바인더, 균일제, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 제조된 슬러리를 사용하여 제조된다.The
상기 전해질층(13)은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말, 바인더, 균일제, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 제조된 슬러리를 연료극 상에 코팅하여 형성된다.The
상기 공기극(14)은 LSM-YSZ층, LSM층 및 LSCF층이 순차적으로 형성된 다층 구조 공기극으로 형성된다.The
도 1에 도시된 바와 같이 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)은 다공성 관형 지지체(11) 상에 연료극(12), 전해질층(13) 및 공기극(14)으로 구성된 단위전지가 복수개 형성된 후 연결재(15)에 의해 전기적으로 연결된다.As shown in FIG. 1, the segmented solid oxide
상기 연결재(15)는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)에서 단위전지의 연료극과 다른 단위전지의 공기극을 전기적으로 연결시키기 위해 형성된다.The connecting
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 연결재(15)는 은-유리 페이스트를 사용하여 형성될 수 있으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 물질을 제한없이 사용할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the connecting
이하 본 발명의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the segmented solid oxide
우선, 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄 분말의 혼합물, 바인더 및 증류수를 포함하는 페이스트를 사용하여 다공성 관형 지지체(11)를 제조한다(S1).First, a porous
다공성 관형 지지체(11)를 제조하기 위한 주원료로서 칼시아 안정화 지르코니아(CaO-stabilized ZrO2 : CSZ) 분말을 사용하고, 기공 형성제로서 활성탄(Active Carbon) 분말을 사용하며, CSZ 100 중량%에 대하여 활성탄 분말 10?15 중량%를 혼합한다. 활성탄 분말이 10 중량% 미만으로 사용될 경우에는 다공성 관형 지지체(11)의 기공률이 저하되는 문제가 있고, 활성탄 분말이 15 중량%를 초과하여 사용될 경우 기공률은 높아지지만 압축강도가 저하되는 문제가 생긴다.Calcia stabilized zirconia (CaO-stabilized ZrO 2 : CSZ) powder is used as a main raw material for preparing the porous
상술한 사용함량에 따라 혼합된 CSZ와 활성탄 분말의 혼합물을 슬러리 상태로 제조하여 볼 밀링(ball milling)에 의해 균일화한다. 이때 에탄올을 용매로 사용하는데, 에탄올은 건조가 빠르기 때문에 볼 밀링 후 건조기에서 건조될 때 작업을 빨리 진행할 수 있게 된다. 볼 밀링은 고순도 지르코니아 볼을 이용하여 2주간 진행함으로써, CSZ와 활성탄 분말의 혼합물을 최대한 균일하게 할 수 있게 된다.A mixture of CSZ and activated charcoal powder mixed according to the above-mentioned content is prepared in a slurry state and homogenized by ball milling. At this time, ethanol is used as a solvent, and since ethanol is fast drying, the work can be performed quickly when dried in a dryer after ball milling. Ball milling is performed for two weeks using high purity zirconia balls, so that the mixture of CSZ and activated carbon powder can be as uniform as possible.
이어서, 균일화된 CSZ와 활성탄 분말의 혼합물을 건조기(hot plate)에서 건조한 후 분쇄하여 분말화한다.Subsequently, the mixture of homogenized CSZ and activated carbon powder is dried in a hot plate and then ground to powder.
그리고, 분말화된 혼합물에 바인더와 용매를 첨가하여 혼련을 실시함으로써 페이스트(paste)를 형성한다. 바인더로는 종합바인더인 YB-131D를 사용할 수 있는데, YB-131D는 메틸셀룰로오스와 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스 및 가소제와 윤활제 등을 포함하는 유기바인더로 널리 알려져 있는 것이다. 바인더는 분말화된 혼합물을 결합시키는 역할을 함과 아울러 활성탄과 함께 기공을 형성하는 역할을 한다. 이러한 바인더는 CSZ와 활성탄의 혼합물 100 중량% 기준으로 7?8 중량%를 첨가하는데, 7 중량% 미만으로 사용될 경우 다공성 관형 지지체(11)의 성형성이 떨어짐과 아울러 기공 형성률이 저하되는 문제가 생기고, 8 중량%를 초과하면 기공은 많이 형성되지만 강도가 저하되고 소결 과정에서 크랙이 발생하게 된다. 상기 용매로는 증류수가 사용될 수 있는데, CSZ와 활성탄의 혼합물 100 중량% 기준으로 45.5?50 중량%의 증류수가 첨가된다. 증류수 함량이 45.5 중량%에 미달하면 혼련시 페이스트가 아닌 파우더 상태로 남는 부분이 생기게 되며, 이후 공정에서 다공성 관형 지지체(11)를 압출할 때에도 너무 단단하여 압출이 어렵게 된다. 또한, 증류수의 사용 함량이 50 중량%를 초과하면 다공성 관형 지지체(11)가 압출할 때 압출기의 스크류 표면에 페이스트가 달라붙어 압출이 잘 이루어지지 않게 되고, 소결시 크랙이 발생할 우려가 있다.Then, a paste is formed by kneading by adding a binder and a solvent to the powdered mixture. As the binder, YB-131D, which is a comprehensive binder, may be used, and YB-131D is widely known as an organic binder including methyl cellulose and hydroxypropyl methyl cellulose, a plasticizer and a lubricant. The binder serves to bind the powdered mixture and to form pores with the activated carbon. The binder adds 7 to 8% by weight based on 100% by weight of the mixture of CSZ and activated carbon, but when used in less than 7% by weight, the formability of the porous
다음으로, 상술한 과정에 따라 형성된 페이스트를 도 2에 나타난 압출기(20)를 이용하여 다공성 관형 지지체(11)로 압출하는데, 압출 전에 페이스트의 수분이 고르게 분포되도록, 예를 들어, 24시간 동안 냉장 보관하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.Next, the paste formed according to the above-described process is extruded into the porous
압출된 다공성 관형 지지체(11)는, 예를 들어, 외경이 22 mm이고 내경이 16 mm인 관형으로 형성되는데, 건조시에 용매의 증발에 의해 휨 현상이나 균열이 발생할 우려가 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 다공성 관형 지지체(11)의 관내에 스틸 바(steel bar)와 같은 금속 바(도시되지 않음)를 삽입하고 롤링 건조기로 롤링시키면서 상온에서 건조시킨다.The extruded porous
이후 상기 건조된 다공성 관형 지지체(11)를 열처리하여 다공성 관형 지지체에 첨가되어 있는 바인더와 활성탄 성분을 완전 연소시키는 과정을 수행한다. 즉, 300?400℃에서 4?6시간 열처리함으로써 바인더를 연소시키고, 이어서 700?800℃에서 2?4시간 열처리함으로써 활성탄을 연소시킨다.Thereafter, the dried porous
마지막으로, 위와 같이 열처리된 다공성 관형 지지체(11)를 1350?1450℃에서 소결함으로써 다공성 관형 지지체(11)를 완성한다. 다공성 관형 지지체(11)의 표면에 코팅되는 연료극(12)과 전해질(13) 및 공기극(14)의 열처리 온도는 각각 1000℃, 1400℃, 1150℃이므로, 열처리 온도가 가장 높은 전해질의 열처리 온도 1400℃에 부근인 1350?1450℃에서 소결을 행하는 것이 바람직하다. 이보다 낮은 온도에서는 소결이 잘 이루어지지 않아 기공이 커지게 되고 강도가 저하되며, 이보다 높은 온도에서 소결하는 경우에는 기공도가 저하되어 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.Finally, the porous
상술한 방법에 따라 제조된 다공성 관형 지지체(11)는 높은 기체 투과도와 우수한 압축강도를 나타내므로 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈 및 이를 이용한 모듈에 사용되는 경우, 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈 및 이를 이용한 모듈을 제조할 수 있다.
The porous
다음으로, 상기 다공성 관형 지지체(11) 상에 연료극(12)을 형성한다(S2).Next, the
상기 연료극(12)은 산화니켈(NiO)/이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 혼합분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.5~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 다공성 관형 지지체(11) 상에 담금 코팅법 등을 사용하여 코팅하여 형성될 수 있다. 이후 연료극(12)은 약 900~1100℃ 부근에서 1.5?4.5 시간 동안 열처리되는 것이 바람직하다. The
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 산화니켈(NiO)/이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 혼합분말은 산화니켈(NiO) 분말 66 중량% 및 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말 34 중량%를 혼합하여 제조될 수 있다.In one embodiment of the invention, the nickel oxide (NiO) / yttria stabilized zirconia (YSZ) mixed powder is prepared by mixing 66% by weight of nickel oxide (NiO) powder and 34% by weight of yttria stabilized zirconia (YSZ) powder. Can be.
또한 상기 용매로는 톨루엔 36 중량% 및 이소프로필 알코올 64 중량%를 혼합한 것을 사용할 수 있다.
In addition, the solvent may be a mixture of 36% by weight of toluene and 64% by weight of isopropyl alcohol.
다음으로, 상기 연료극(12) 상에 전해질층(13)을 형성한다(S3).Next, the
상기 연료극(12) 상에 전해질층(13)을 형성하기 위해 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말 2?4 중량%, 바인더 0.2?0.4 중량%, 균일제 0.04~0.08 중량%, 분산제 0.005?0.009 중량%, 가소제 0.2?0.4 중량% 및 용매 94?98 중량%를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 연료극(12) 상에 진공슬러리 코팅법을 사용하여 코팅한다. 이후 전해질층(13)은 약 1250~1450℃ 에서 3~7 시간 동안 열처리되는 것이 바람직하다.2 to 4 wt% of yttria stabilized zirconia (YSZ) powder, 0.2 to 0.4 wt% of binder, 0.04 to 0.08 wt% of homogeneous agent, and 0.005 to 0.009 wt% of dispersant to form
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 또한 상기 용매로는 톨루엔 38 중량% 및 이소프로필 알코올 62 중량%를 혼합한 것을 사용할 수 있다.
In one embodiment of the present invention, a mixture of 38% by weight of toluene and 62% by weight of isopropyl alcohol may be used as the solvent.
다음으로, 상기 전해질층(13) 상에 공기극(14)을 형성한다(S4).Next, the
본 발명에서 공기극(14)은 전해질층(13) 상에 LSM-YSZ층, LSM층 및 LSCF층이 순차적으로 형성된 다층 구조 공기극일 수 있다.In the present invention, the
상기 공기극(14)으로서 다층 구조의 공기극을 코팅하기 위해 Ls2O3, SrCO3, Co(NO3)26H2O, Fe2O3, MnO2 원료 분말을 화학양론으로 정량하여 고상반응(Solid State Reaction)법으로 (La,Sr)MnO3 분말, (La, Sr) (Co, Fe)O3 분말을 제조한다.In order to coat the cathode having a multi-layered structure as the
이후 (La,Sr)MnO3 /이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 혼합분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.5~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 LSM-YSZ층을 형성하기 위한 슬러리를 제조한다.(La, Sr) MnO 3 18-23 wt% of Yttria stabilized zirconia (YSZ) mixed powder, 3-7 wt% of binder, 0.5-3 wt% of homogenizer, 0.05-0.3 wt% of dispersant, 4-7 wt% of plasticizer and 65-70 wt% of solvent To prepare a slurry to form the LSM-YSZ layer by mixing.
상기 (La,Sr)MnO3 /이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 혼합분말은 (La,Sr)MnO3 분말 50 중량% 및 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 50 중량%를 혼합하여 제조된 것을 사용할 수 있다.(La, Sr) MnO 3 / Yttria stabilized zirconia (YSZ) powder mixture is (La, Sr) MnO 3 One prepared by mixing 50% by weight of powder and 50% by weight of yttria stabilized zirconia (YSZ) may be used.
동일한 방법으로 (La,Sr)MnO3 분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.5~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 LSM층을 형성하기 위한 슬러리를 제조한다.In the same manner, (La, Sr) MnO 3 powder 18-23 wt%, binder 3-7 wt%, homogenizer 0.5-3 wt%, dispersant 0.05-0.3 wt%, plasticizer 4-7 wt% and solvent 65-70 wt% Mix% to make a slurry to form an LSM layer.
마찬가지로 (La, Sr) (Co, Fe)O3 분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.05~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 LSCF층을 형성하기 위한 슬러리를 제조한다.Similarly (La, Sr) (Co, Fe) O 3 powder 18-23% by weight, binder 3-7%, homogenizer 0.05-3%, dispersant 0.05-0.3%, plasticizer 4-7% and solvent 65 70 wt% of the mixture is prepared to form a slurry to form an LSCF layer.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 공기극을 형성하기 위한 슬러리에 사용되는 용매로는 톨루엔 36 중량% 및 이소프로필 알코올 64 중량%를 혼합한 것을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a mixture of 36% by weight of toluene and 64% by weight of isopropyl alcohol may be used as the solvent used in the slurry for forming the air electrode.
이후 다공성 관형 지지체(11)의 공기극(14)이 형성될 부분을 제외한나머지 부분을 마스킹한 후, LSM-YSZ층을 형성하기 위한 슬러리, LSM층을 형성하기 위한 슬러리 및 LSCF층을 형성하기 위한 슬러리에 순차적으로 2회-1회-2회 담금코팅하여 다층 구조 공기극을 형성할 수 있다.
After masking the remaining portions except for the portion where the
마지막으로, 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 전기적 소통의 위해 연결재(15)를 형성한다(S5).Finally, the
본 발명에 따른 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)은 다공성 관형 지지체(11) 상에 연결극(12), 전해질층(13) 및 공기극(14)을 포함하여 마디형으로 구성된 단위전지들이 연결재(15)에 의해 전기적으로 직렬 연결된 구조를 가진다. 즉, 연결재(15)는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(100)에서 단위전지의 연료극과 다른 단위전지의 공기극을 전기적으로 연결시켜 단위전지들 간의 전기적 소통을 가능하게 한다.Segmented solid oxide fuel cell submodule 100 according to the present invention is a unit cell consisting of a node including a connecting
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 연결재(15)는 은-유리 페이스트를 코팅하여 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the connecting
상기 은-유리 페이스트는 은 분말 53?57 중량%, 유리 분말 4?8 중량%, 바인더 3?6 중량% 및 용매 31?35 중량%를 혼합하여 제조될 수 있다.The silver-glass paste may be prepared by mixing 53 to 57 wt% silver powder, 4 to 8 wt% glass powder, 3 to 6 wt% binder, and 31 to 35 wt% solvent.
상기 연결재(15)는 전기적 전도성이 우수해야 하고, 가스 밀봉 특성이 확보되어야 하는데, 은-유리 페이스트에 포함되는 은 분말에 의해 우수한 전기 전도성을 나타낼 수 있으며, 유리 분말에 의해 가스 밀봉 효과를 나타낼 수 있다.The connecting
본 발명에서 상기 연료극(12), 전해질층(13), 공기극(14)을 형성하기 위한 슬러리의 제조시 사용되는 바인더는 BM1, BM2, PVB 등을 사용할 수 있고, 균일제는 Triton X-100을 사용할 수 있으며, 분산제는 SN-분산제를 사용할 수 있고, 가소제는 디부틸 프탈레이트를 사용할 수 있으며, 그리고 용매는 톨루엔과 이소프로필 알코올의 혼합용매를 사용할 수 있다.In the present invention, the binder used in the preparation of the slurry for forming the
상기 연결재(15)를 형성하기 위한 은-유리 페이스트의 제조시 사용되는 바인더로는 메틸 셀룰로오스를 사용할 수 있으며, 용매로는 α-테르피놀(α-terpinol)을 사용할 수 있다.
Methyl cellulose may be used as the binder used in the production of the silver-glass paste for forming the connecting
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
(1) 다공성 (1) porosity 관형Tubular 지지체의 제조 Preparation of the Support
칼시아 안정화 지르코니아 1000 g과 활성탄 분말 150 g을 혼합하였다. 이에 에탄올을 첨가하여 고순도 지르코니아 볼을 이용하여 2주간 볼 밀링을 하여 균일화하였고, 핫 플레이트에서 건조한 후 분쇄기를 이용하여 분쇄하였다. 제조된 칼시아 안정화 지르코니아 및 활성탄 분말의 혼합물에 바인더로서 YB-131D 75 g 및 증류수 500 g를 첨가하여 혼련하여 페이스트를 제조하였고, 제조된 페이스트를 수분이 고르게 분포되도록 24시간 동안 냉장보관 후 도 2에 나타난 바와 같이 압출 성형하였다. 이후 압출된 다공성 관형 지지체 홀 안에 금속 바를 삽입하여 롤링 건조기에서 상온 건조하였다. 이후 바인더와 활성탄을 완전 연소하기 위해 350 ℃에서 5시간, 기계적 강도가 약한 750 ℃에서 3시간 열처리한 후 1100 ℃에서 3시간 동안 가소결하여 다공성 관형 지지체를 제조하였다.
1000 g of calcia stabilized zirconia and 150 g of activated carbon powder were mixed. Ethanol was added and homogenized by high-purity zirconia balls for 2 weeks by ball milling, dried on a hot plate, and ground using a grinder. The paste was prepared by kneading 75 g of YB-131D and 500 g of distilled water as a binder to a mixture of calcia stabilized zirconia and activated carbon powder, and refrigerated the paste for 24 hours to distribute the moisture evenly. Extruded as shown. Then, a metal bar was inserted into the extruded porous tubular support hole and dried at room temperature in a rolling dryer. Thereafter, the binder and the activated carbon were heat-treated at 350 ° C. for 5 hours and heat treated at 750 ° C. for 3 hours, and then calcined at 1100 ° C. for 3 hours to prepare a porous tubular support.
(2) (2) 세그먼트형Segment 고체산화물 연료전지 단위전지( Solid oxide fuel cell unit cell singlesingle cellcell )의 제조Manufacturing
제조된 다공성 관형 지지체 상에 연료극을 코팅하기 위해 NiO/YSZ 혼합분말(fuel cell material사) 20.5 중량%, PVB 바인더 5.1 중량%, Triton X-100 1.4 중량%, SN-분산제 0.16 중량%, 디부틸 프탈레이트 5.34 중량% 및 톨루엔과 이스프로필 알코올 혼합용매 67.5 중량%를 혼합하여 고형분 함량 20 중량%인 슬러리를 제조하였고, 다공성 관형 지지체에 담금 코팅법을 이용하여 연료극을 코팅하였다. 이후 연료극 상부에 전해질층을 형성하기 위하여 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말 3 중량%, 바인더(BM1와 BM2 1:1 중량비) 0.3 중량%, Triton X-100 0.06 중량%, SN-분산제 0.007 중량%, 디부틸 프탈레이트 0.3 중량% 및 톨루엔과 이스프로필 알코올 혼합용매 96.33 중량%를 혼합하여 고형분 함량 3 중량%인 슬러리를 제조하였고 이를 연료극 상에 진공슬러리 코팅법을 사용하여 코팅하였고, 1350℃에서 5시간 동안 소결하였다. 이와 같이 다공성 관형 지지체 상에 연료극 및 전해질층을 형성한 후 연료극 및 전해질 코팅 표면, 연료극 코팅 단면 및 연료극, 전해질층 코팅 단면에 대해 주사전자현미경 사진을 촬영하여 도 3에 내었다. 이후, LSM/YSZ-LSM-LSCF의 다층 구조 공기극을 코팅하기 위해 LSM/YSZ, LSM, LSCF 분말(fuel cell material사)을 사용하여 각각의 슬러리를 제조하였다. 테프론으로 공기극이 코팅되어야 하는 부분을 제외한 모든 부분을 마스킹한 후, YSZ-LSM 슬러리 2회, LSM 슬러리 1회, LSCF 슬러리 2회 순차적으로 담금 코팅하였다. 이때 LSM과 LSCF는 두 번째 코팅시 상하를 바꾸어 코팅하여 코팅 두께가 일정하게 하였다. 이와 같이 슬러리 코팅 후 1150 ℃에서 3시간동안 열처리하여 공기극을 형성함으로써 최종적인 본 발명에 따른 세그먼트형 고체산화물 연료전지 단위전지를 제조하였다. LSM-YSZ/LSM/LSCF의 다층으로 구성된 공기극의 표면(도 4의 (a))과 단면(도 4의 (b)에 대해 주사전자현미경 사진을 촬영하여 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면 약 30㎛정도의 두께를 갖는 공기극은 주입되는 충분한 다공성을 갖는 전극을 구성하고 있고, LSM/YSZ의 복합층에서는 전해질과의 계면형성이 양호하게 형성되어졌음을 확인할 수 있으며, LSM, LSCF의 다층으로 이루져 있음을 알 수 있다.
NiO / YSZ mixed powder (fuel cell material) 20.5 wt%, PVB binder 5.1 wt%, Triton X-100 1.4 wt%, SN-dispersant 0.16 wt%, Dibutyl for coating the anode on the prepared porous tubular support A slurry having a solid content of 20% by weight was prepared by mixing 5.34% by weight of phthalate and 67.5% by weight of toluene and isopropyl alcohol mixed solvent, and coated the anode by using a dip coating method on the porous tubular support. Thereafter, to form an electrolyte layer on the anode, 3 wt% of yttria stabilized zirconia (YSZ) powder, 0.3 wt% of binder (BM1 and BM2 1: 1 weight ratio), Triton X-100 0.06 wt%, and SN-dispersant 0.007 wt% , 0.3% by weight of dibutyl phthalate and 96.33% by weight of toluene and isopropyl alcohol mixed solvent were prepared to prepare a slurry having a solid content of 3% by weight, and the slurry was coated on the anode using vacuum slurry coating method, and then 5 hours at 1350 ° C. Sintered. After forming the anode and the electrolyte layer on the porous tubular support as described above, a scanning electron microscope photograph was taken of the anode and the electrolyte coating surface, the anode coating cross section and the anode and the electrolyte layer coating cross section, and shown in FIG. 3. Thereafter, in order to coat the multilayer structure cathode of LSM / YSZ-LSM-LSCF, each slurry was prepared using LSM / YSZ, LSM, and LSCF powder (fuel cell material). After masking all parts except the part to be coated with the cathode by Teflon, the coating was immersed sequentially in two YSZ-LSM slurries, one LSM slurry, and two LSCF slurries. At this time, LSM and LSCF were coated by changing the top and bottom during the second coating to make the coating thickness constant. As described above, a slurry-type solid oxide fuel cell unit cell according to the present invention was manufactured by forming a cathode by heat treatment at 1150 ° C. for 3 hours after slurry coating. A scanning electron microscope photograph was taken of the surface (Fig. 4 (a)) and the cross section (Fig. 4 (b)) of the air electrode composed of a multilayer of LSM-YSZ / LSM / LSCF and are shown in Fig. 4. When the cathode having a thickness of about 30 μm constitutes an electrode having sufficient porosity to be injected, the composite layer of LSM / YSZ shows good interfacial formation with the electrolyte. It can be seen that it is made of a multilayer.
(3) (3) 세그먼트형Segment 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조 Fabrication of Solid Oxide Fuel Cell Submodules
은 분말 55.4 중량%, 유리 분말 6.2 중량%, 메틸 셀룰로오스 4.6 중량% 및 α-테르피놀 33.8 중량%를 혼합하여 은과 유리의 무게비가 9:1인 은-유리 페이스트를 제조하였다. 이후 상기 세그먼트형 고체산화물 연료전지에서 단위전지들의 마디 사이에 연결재가 코팅되어야 하는 부분을 제외하고 마스킹 테이프를 사용하여 마스킹한 후, 상기 은-유리 페이스트를 3회 코팅하였다. 이때 1회씩 코팅시 건조를 하여 먼저 코팅된 부분이 벗겨지지 않게 하였다. 이후 상용 은 페이스트를 1회 코팅하여 건조 오븐에서 80℃에서 30분 건조하였고 800℃에서 10분 동안 열처리하여 본 발명에 따른 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 제조하였다.
A silver-glass paste having a weight ratio of silver to glass of 9: 1 was prepared by mixing 55.4 wt% silver powder, 6.2 wt% glass powder, 4.6 wt% methyl cellulose, and 33.8 wt% α-terpinol. Then, after masking using a masking tape except for a portion of the segment-type solid oxide fuel cell in which the connection material is to be coated between the nodes of the unit cells, the silver-glass paste is coated three times. At this time, the coating is dried once so that the first coated portion is not peeled off. Thereafter, the commercial silver paste was coated once, dried at 80 ° C. for 30 minutes in a drying oven, and heat treated at 800 ° C. for 10 minutes to prepare a segmented solid oxide fuel cell submodule according to the present invention.
시험예Test Example 1 - One - 세그먼트형Segment 고체산화물 연료전지 단위전지 및 Solid oxide fuel cell unit cell and 세그먼트형Segment 고체산화물 연료전지 서브모듈의 개회로 전압 및 전지성능 측정 Open Circuit Voltage and Cell Performance Measurement of Solid Oxide Fuel Cell Submodule
세그먼트형 고체산화물 연료전지 단위전지들을 연결재로 연결하여 제조된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈(two cell)에서 연결재가 부분 코팅된 양극과 음극에 은 와이어(silver wire)로 와이어링하고 은 와이어에 백금 와이어를 연결하여, DC 전극과 파워 서플라이를 이용하여 모듈에 흐르는 전류 밀도를 변화시키면서 전압강하를 측정하였다. 단위전지 성능 측정용 열처리로(furnace)의 온도는 2℃/min로 승온하고, 650, 700, 750, 800℃에서 성능 측정을 실시하였다. 이 때 연료로 3% 가습된 수소를 산화제로 공기를 공급하였다. 세그먼트형 고체산화물 연료전지 단위전지는 운전온도가 650, 700, 750, 800℃일 때, 개회로 전압은 각각 0.97, 1.00, 1.00, 1.00 V이고, 전지성능은 각각 53, 92, 137, 197 mW였으며, 단위면적당 성능은 31, 57, 82, 118 mW/cm2를 나타내었다. 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈은 운전온도가 650, 700, 750, 800℃일 때, 개회로 전압은 각각 1.33, 1.57, 1.82, 1.90 V이고, 전지성능은 각각 50, 103, 201, 319 mW였으며, 단위면적당 성능은 17, 35, 68, 109 mW/cm2를 나타내었다. 와이어링된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 촬영하여 도 5에 나타내었고, 세그먼트형 고체산화물 연료전지 단위전지 및 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 개회로 전압 및 전지성능 측정하여 각각 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 나타내었다.In a segmented solid oxide fuel cell sub-module manufactured by connecting segmented solid oxide fuel cell unit cells with a connecting material, a silver wire is wired to a positive electrode and a cathode partially coated with a connecting material and By connecting the platinum wire, the voltage drop was measured while varying the current density flowing through the module using a DC electrode and a power supply. The temperature of the furnace for measuring unit cell performance was raised to 2 ° C / min, and performance measurement was performed at 650, 700, 750, and 800 ° C. At this time, 3% humidified hydrogen as fuel was supplied with air as an oxidant. Segmented solid oxide fuel cell unit cells have open circuit voltages of 0.97, 1.00, 1.00, and 1.00 V at operating temperatures of 650, 700, 750, and 800 ° C, respectively, and battery performance of 53, 92, 137, and 197 mW, respectively. The performance per unit area is 31, 57, 82, 118 mW / cm 2 . Segmented solid oxide fuel cell submodules have open circuit voltages of 1.33, 1.57, 1.82, and 1.90 V at operating temperatures of 650, 700, 750, and 800 ° C, respectively, and battery performance of 50, 103, 201, and 319 mW, respectively. Performance per unit area was 17, 35, 68, 109 mW / cm 2 . 5 is taken of the wired segmented solid oxide fuel cell submodule, and the open circuit voltage and the cell performance of the segmented solid oxide fuel cell unit cell and the segmented solid oxide fuel cell submodule are measured. (a) and (b) of FIG. 6.
이와 같이 본 발명의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈은 세그먼트형 고체산화물 연료전지 단위전지에 비해 고출력화가 가능함을 알 수 있다.
As described above, it can be seen that the segmented solid oxide fuel cell submodule of the present invention is capable of higher output than the segmented solid oxide fuel cell unit cell.
이상 본 발명을 바람직한 실시예에 대해서 설명하지만, 본 발명은 상술한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 그 기술적 사상을 벗어나지 않고 다양하게 변형 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예가 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 한다.
Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains have various modifications without departing from the technical spirit. You can do it. Therefore, the scope of the present invention should be construed as defined by the appended claims rather than the specific embodiments.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 다공성 관형 지지체 12 : 연료극
13 : 전해질층 14 : 공기극
15 : 연결재
100 : 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11 porous
13
15: connecting material
100: segment type solid oxide fuel cell submodule
Claims (15)
상기 다공성 관형 지지체는 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄 분말의 혼합물, 바인더 및 증류수를 혼련하여 제조된 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결 과정을 거쳐 제조된 것임을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
A segmented solid oxide fuel cell submodule comprising a porous tubular support, a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode, and a connecting member formed on an outer surface of the porous tubular support,
The porous tubular support is a segment prepared by extruding, drying, heat treating and sintering a paste prepared by mixing a mixture of homogenized and powdered calcia stabilized zirconia (CSZ) and activated carbon powder, a binder and distilled water. Solid oxide fuel cell submodule.
상기 다공성 관형 지지체는 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 분말 100 중량%에 대하여 활성탄 분말 10?15 중량%를 혼합하여 균일화 및 분말화한 후, 분말화된 CSZ와 활성탄 분말의 혼합물 100 중량% 기준으로 증류수 45.5?50 중량%와 바인더 7?8 중량%를 첨가하고 혼련하여 제조된 페이스트를 사용하여 제조된 것임을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method according to claim 1,
The porous tubular support was homogenized and powdered by mixing 10-15% by weight of activated carbon powder with respect to 100% by weight of calcia stabilized zirconia (CSZ) powder, and then distilled water based on 100% by weight of the mixture of powdered CSZ and activated carbon powder. Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that prepared using a paste prepared by adding and mixing 45.5-50% by weight and 7-8% by weight binder.
상기 연료극은 산화니켈(NiO)/이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 혼합분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.5~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 제조된 슬러리를 다공성 관형 지지체 상에 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method according to claim 1,
The anode is a nickel oxide (NiO) / yttria stabilized zirconia (YSZ) mixed powder 18 ~ 23% by weight, binder 3 ~ 7% by weight, homogeneous 0.5 ~ 3% by weight, dispersant 0.05 ~ 0.3% by weight, plasticizer 4 ~ 7 weight Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that formed by coating a slurry prepared by mixing a mixture of 65% to 70% by weight on a porous tubular support.
상기 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말 2?4 중량%, 바인더 0.2?0.4 중량%, 균일제 0.04~0.08 중량%, 분산제 0.005?0.009 중량%, 가소제 0.2?0.4 중량% 및 용매 94?98 중량%를 혼합하여 제조된 슬러리를 사용하여 상기 연료극 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method according to claim 1,
The electrolyte layer is 2-4 wt% of yttria stabilized zirconia (YSZ) powder, 0.2-0.4 wt% binder, 0.04-0.08 wt% homogeneous agent, 0.005-0.009 wt% dispersant, 0.2-0.4 wt% plasticizer and 94-98 solvent Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that the coating on the anode using a slurry prepared by mixing the weight%.
상기 바인더는 BM1, BM2 또는 PVB를 단독 또는 혼합하여 사용하며, 상기 균일제는 Triton X-100를 사용하며, 분산제는 SN-분산제를 사용하며, 가소제는 디부틸 프탈레이트를 사용하며, 상기 용매는 톨루엔과 이소프로필 알코올의 혼합용매를 사용하는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method according to claim 3 or 4,
The binder is used alone or mixed with BM1, BM2 or PVB, the homogeneous agent is Triton X-100, the dispersant is SN-dispersant, the plasticizer is dibutyl phthalate, the solvent is toluene Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized by using a mixed solvent of isopropyl alcohol.
상기 공기극은 전해질층 상에 LSM-YSZ층, LSM층 및 LSCF층이 순차적으로 형성된 다층 구조 공기극인 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method according to claim 1,
The cathode is a segmented solid oxide fuel cell submodule, wherein the cathode is a multilayer structure cathode in which an LSM-YSZ layer, an LSM layer, and an LSCF layer are sequentially formed on an electrolyte layer.
상기 LSM-YSZ층은 (La,Sr)MnO3 /이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 혼합분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.5~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 제조된 슬러리를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method of claim 6,
The LSM-YSZ layer is (La, Sr) MnO 3 18-23 wt% of Yttria stabilized zirconia (YSZ) mixed powder, 3-7 wt% of binder, 0.5-3 wt% of homogenizer, 0.05-0.3 wt% of dispersant, 4-7 wt% of plasticizer and 65-70 wt% of solvent Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that formed using a slurry prepared by mixing.
상기 LSM층은 (La,Sr)MnO3 분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.5~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 제조된 슬러리를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method of claim 6,
The LSM layer comprises (La, Sr) MnO 3 powder 18-23% by weight, binder 3-7%, homogenizer 0.5-3%, dispersant 0.05-0.3%, plasticizer 4-7% and solvent 65-70 Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that formed using a slurry prepared by mixing the wt%.
상기 LSCF층은 (La, Sr) (Co, Fe)O3 분말 18~23 중량%, 바인더 3?7 중량%, 균일제 0.05~3 중량%, 분산제 0.05?0.3 중량%, 가소제 4?7 중량% 및 용매 65?70 중량%를 혼합하여 제조된 슬러리를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method of claim 6,
The LSCF layer is (La, Sr) (Co, Fe) O 3 powder 18-23% by weight, binder 3-7%, homogeneous agent 0.05-3%, dispersant 0.05-0.3%, plasticizer 4-7% by weight And a slurry prepared by mixing 65 to 70 wt% of the solvent.
10. A segmented solid oxide fuel cell module comprising a plurality of segmented solid oxide fuel cell submodules according to any one of claims 1 to 9.
상기 다공성 관형 지지체 상에 연료극을 형성하는 단계(S2);
상기 연료극 상에 전해질층을 형성하는 단계(S3);
상기 전해질층 상에 공기극을 형성하는 단계(S4); 및
전기적 연결을 위해 연결재를 형성하는 단계(S5)
를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
Preparing a porous tubular support using a paste comprising a mixture of homogenized and powdered Calcia stabilized zirconia (CSZ) and activated carbon powder, a binder and distilled water (S1);
Forming a fuel electrode on the porous tubular support (S2);
Forming an electrolyte layer on the anode (S3);
Forming an air electrode on the electrolyte layer (S4); And
Forming a connecting material for the electrical connection (S5)
Segmented solid oxide fuel cell submodule manufacturing method comprising a.
상기 다공성 관형 지지체를 제조하는 단계(S1)는,
상기 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 분말 100 중량% 대하여 활성탄 분말 10?15 중량%를 혼합하여 슬러리 상태로 제조한 후 볼 밀링에 의해 균일화하는 단계;
상기 균일화된 CSZ 분말 및 활성탄 분말의 혼합물을 건조 후 분쇄하여 분말화하는 단계;
상기 분말화된 혼합물에 분말화된 혼합물 100 중량% 기준으로 증류수 45.5?50 중량%와 바인더 7?8 중량%를 첨가하고 혼련하여 페이스트를 제조한 후 관형 지지체로 압출하는 단계;
상기 압출된 관형 지지체의 관내에 금속 바를 삽입하고 롤링시키면서 상온 건조하는 단계;
상기 건조된 관형 지지체를 열처리하여 관형 지지체에 첨가되어 있는 바인더와 활성탄 성분을 완전 연소시키는 단계; 및
상기 열처리된 관형 지지체를 1350?1450℃에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
The method of claim 11,
Preparing the porous tubular support (S1),
10 to 15% by weight of the activated carbon powder is mixed with respect to 100% by weight of the calcia stabilized zirconia (CSZ) powder to prepare a slurry and homogenized by ball milling;
Pulverizing and drying the mixture of the uniformed CSZ powder and activated carbon powder to powder;
Adding 45.5-50 wt% of distilled water and 7-8 wt% of binder to the powdered mixture based on 100 wt% of the powdered mixture and kneading to prepare a paste, followed by extrusion into a tubular support;
Inserting a metal bar into the tube of the extruded tubular support and drying at room temperature while rolling;
Heat-treating the dried tubular support to completely burn the binder and activated carbon component added to the tubular support; And
Sintering the heat-treated tubular support at 1350 ~ 1450 ℃ characterized in that it comprises a step of producing a segmented solid oxide fuel cell submodule.
상기 CSZ 분말과 상기 활성탄 분말의 혼합물을 슬러리 상태로 하여 볼 밀링에 의해 균일화하는 단계는 에탄올을 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
The method of claim 12,
And uniformizing the mixture of the CSZ powder and the activated carbon powder in a slurry state by ball milling is performed by adding ethanol to the segment type solid oxide fuel cell submodule.
상기 페이스트를 관형 지지체로 압출하기 전에 수분이 고르게 분포되도록 냉장 보관하는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
The method of claim 12,
A method of manufacturing a segmented solid oxide fuel cell submodule, wherein the paste is refrigerated so as to distribute moisture evenly before extruding into the tubular support.
상기 관형 지지체의 열처리 공정은 300?400℃에서 4?6시간 열처리하는 공정과, 700?800℃에서 2?4시간 열처리하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
The method of claim 12,
The heat treatment step of the tubular support is a method of manufacturing a segment-type solid oxide fuel cell submodule, characterized in that the process consisting of a heat treatment for 4-6 hours at 300 ~ 400 ℃, and a heat treatment for 2 to 4 hours at 700 ~ 800 ℃. .
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